Читайте данную работу прямо на сайте или скачайте

Многокаскадные силители

1.     

В большинстве случаев одиночные каскады не обеспечивают необходимое силение и заданные параметры силителей. Поэтому силители, которые применяют в аппаратуре связи и измерительной технике, многокаскадные. При анализе и расчете многокаскадного силителя необходимо определить общий коэффициент силения усилителя, искажения, вносимые им, распределять их по каскадам, определить требование к источникам, решить вопросы введения обратных связей и т.д.

2. КОЭФФИЦИЕНТ СИЛЕНИЯ МНОГОКАСКАДНОГО СИЛИТЕЛЯ

рис.1

Коэффициент силения силителя можно определить, исходя из структурной схемы (рис.1):

Кобщ = Uвых/Uвх = (Uвых/Un-1) Е (U₃/U₂)(U₂/Uвх)=KnKn-ЕK₂K₁ или

Kобщ = K₁K₂ЕKn e^{f(j1+j2+Е+jn)}

где K₁,Е, Kn - коэффициенты силения каскадов, j1,Е, jn - фазовые сдвиги, вносимые каждым силительным каскадом.

Таким образом, для многокаскадного силителя общий коэффициент силения равен произведению коэффициентов силения каждого каскада. Суммарный фазовый сдвиг, вносимый силителем, равен сумме фазовых сдвигов каждого каскада. Сквозной коэффициент силения

Kобщ = k_вхKобщ

где k_вх=Zвх/(Zг + Zвх) - коэффициент передачи входной цепи. Если коэффициент силения отдельных каскадов выразить в логарифмических единицах, то общий коэффициент силения многокаскадного усилителя будет равен сумме коэффициентов

K_общ[дб] = K_1[дб] + Е + K_n[дб]

В аппаратуре связи для компенсации потери мощности на отдельных частках (затухания) необходимо, чтобы силитель работала на согласованную нагрузку, т.е. его входное сопротивление должно быть равно сопротивлению источника (выходного сопротивления предыдущего тракта аппаратуры или линии), выходное сопротивление должно равняться сопротивлению нагрузки. Для согласования силителей по входу и выходу используют синлители с обратной связью и согласующие трансформаторы. Отклонение от согласования в рабочей полосе частот оценивается коэфнфициентом отражения

При использовании согласующих трансформаторов пересчитанное сопротивление нагрузки в первичную обмотку RТ₁=R_нn², где пЧ коэффициент трансформатора, т. е. отношение витков первичной обмотки к вторичной (рис. 2, ).

На рис.2, имеем: U₂=U₁/n; I₂=I₁n₂, тогда Rн=U₂/I₂ = (U₁/I₁)n²

или RТ₁ = U₁/I₁=R_нn²=Rг. Отсюда с четом потерь в трансформаторе коэффициент трансформации:

где n_t - КПД трансформатора.

Применение входного и выходного трансформаторов позволяет достаточно просто осуществить переход с симметричной схемы на несимметричную (рис.2, б).

рис. 2

3. СУММИРОВАНИЕ ИСКАЖЕНИЙ В МНОГОКАСКАДНОМ СИЛИТЕЛЕ

Коэффициент частотных искажений Mобщ определяется как отношение модуля коэффициента силения на средней частоте к мондулю коэффициента силения на рассматриваемой частоте, т. е.

Mобщ = K₀общ/Kобщ(w) = (К₀₁/K₁(w))(K₀₂/K₂(w))Е(K_0n/Kn(w)).

Следовательно, общий коэффициент частотных искажений многокаскадного силителя равен произведению коэффициентов частотных искажений каждого каскада.

M_общ=М₁М₂ЕМ_n

C четом коэффициента передачи входной и выходной цепей

М_общ=М_вхМ₁М₂ЕM_nM_вых

Соответственно отностиельный коэффициент силения

Y_общ=Y₁Y₂ЕY_n

Для коэффициента частотных искажений и относительного коэффициента силения силителя в логарифмических единицах

M_общ[дб]=M_1[дб]+M_2[дб]+Е+Mn_[дб]

Y_общ[дб]=Y_1[дб]+Y_2[дб]+Е+Yn_[дб]

Заданные частотные искажения между каскадами распределяют таким образом, чтобы получить наименьшую стоимость и габаритные размеры усилителя. Наибольшие частотные искажения дают трансформаторные силительные каскады. Поэтому на нижней частоте в трансформаторном каскаде коэффициент искажений бенрут в 2...3 раза выше, чем в обычном резисторном каскаде. Для меньшения размеров переходных конденсаторов при низкой гранничной частоте диапазона можно применять низкочастотную корнрекцию. На верхней граничной частоте диапазона звуковых частот частотные искажения могут значительно проявляться только в трансформаторных каскадах, которые можно меньшить соответнствующим выбором параметров трансформатора (уменьшением индуктивности рассеяния и межвитковой емкости). В широкопонлосных силителях для получения возможно большего силения в каждый каскад следует вводить высокочастотную коррекцию.

В силителях импульсных сигналов искажения общей переходной характеристики можно определить по искажениям переходных характеристик отдельных каскадов. Общее время нарастания

а

Выброс вершины

Спад плоской вершины

D_{и0 общ} = D_{и вх} + D_и1 + Е+ D_иn

Время установления импульса в силителях из п каскадов, котонрые не имеют выбросов, можно определить по формуле t_{уст общ} t_уст n^0,6. В отсутствие выбросов во входной цепи и в каждом канскаде выброс многокаскадного силителя будет отсутствовать. Для силителей, имеющих каскады с сильно различающимися выбронсами и временами становления, данные соотношения непригодны. В этом случае необходимо графическим способом построить его переходную характеристику в области малых времен.

Равномерное распределение частотных искажений на высшей рабочей частоте или времени становления между отдельными канскадами широкополосного силителя дает возможность получить наиболее стабильные параметры силителя, но не является наиболее экономичным. Наибольший экономический эффект можно получить при взаимной коррекции каскадов, т. е. когда искаженния по каскадам распределяются неравномерно. Недостаток взанимной коррекции каскадов в том, что при изменении параметров силительных элементов и компонентов, входящих в каскады, чанстотные искажения на верхних частотах и время становления изнменяются сильнее, чем у усилителя с одинаковыми каскадами.

4. НЕЛИНЕЙНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ

Коэффициент нелинейных искажений многокаскадного силинтеля в основном определяется последним каскадом, так как амплинтуда сигнала на входе оконечного каскада наибольшая. Приближенно коэффициент нелинейных искажений многокаскадного силителя можно оценить суммированием отдельных коэффициентов гармоник каскадов

где k_г2общ = kТ_г2 + kТТ_г2 +е - суммарный коэффициент нелинейных искажений каскадов во второй гармонике; k_г3общ=kТ_г3+kТТ_г3 + Е - суммарный коэффициент нелинейных искажений каскадова по третьей гармонике и т.д.

5. ШУМОВЫЕ СВОЙСТВА МНОГОКАСКАДНЫХ СИЛИТЕЛЕЙ

В общем случае собственные помехи или шумы силителей опнределяются несколькими факторами, из которых основные: фон, наводки, шумы 'микрофонного эффекта и тепловые шумы. В многонкаскадных силителях происходит суммирование шумов, причем наибольшее значение имеют шумы входной цепи и первых каскандов, которые усиливаются последующими каскадами. В правильнно сконструированном силителе путем рационального располонжения и крепления элементов, фильтрации цепей питания, экраннирования входных цепей или всего силителя и т. д. фон, наводнки и микрофонный эффект можно сделать сколь годно мальши. Поэтому собственные шумы силителей в основном определяются тепловыми шумами. Как было показано в гл. 12, собственные шунмы силителя оцениваются с помощью коэффициента шума Кш, равного отношению мощности шума на выходе силителя к мощнности теплового шума, создаваемого на выходе источником сигннала,

K_ш=_{Рш общ вых}/Р_{ш ист вых}= Р_{ш общ вых}/kТП_шK_р, где Кр - коэффициент силения силителя по мощности. Коэффинциент шума многокаскадного силителя определяется как

К_{ш общ} = К _{ш вх} + (К_ш1-1)/К_{р вх} + (К_ш2-1)/К_{р вх} Кр₁ + Е,

где К_{р вх} и K_p1Ч коэффициенты передачи и силения по мощности входного стройства и первого каскада силителя соответствео. Коэффициент шума входной цепи К_швх учитывают для малоншумящих силителей, если в качестве входной цепи применен трансформатор или фидер. В этом случае К_швх=1/К_рвх.

Для меньшения мощности шума на выходе усилителя желантельно иметь максимальный коэффициент силения по мощности, что можно достичь путем согласования входной и выходной цепей силителя. Такое согласование в некоторых типах силителей, осонбенно в силителях проводной связи, достигается с помощью входных и выходных трансформаторов. Снижение шума на выходе синлителя достигается также применением малошумящих силительнных элементов на входе и специальными мерами, позволяющими повысить отношение между полезным сигналом и шумом, т.е. применением противошумовой коррекции.

6. ВЫВОДЫ

Коэффициент силения и коэффициент частотных искажений многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов силения и коэффициентов частотных искажений каждого каскада.

Нелинейные искажения многокаскадного силителя в основном определяются нелинейностью силительного элемента оконечного каскада.

Коэффициент шума многокаскадного силителя в основном определяется шумами входной цепи и первого каскада. Для меньшения шума на выходе силителя необходимо иметь максимальный коэффициент силения по мощности, т.е. силитель должен быть согласован по входу и выходу.